连霍高速公路百里风区典型横断面风速特征及防风对策研究

2010-11-07李剑马淑红戈峰马韫娟张新军

中国科技信息 2010年20期

李剑马淑红戈峰马韫娟张新军

1,新疆公路规划勘察设计研究院 830002 2,新疆气象科技服务中心 830002；北京大学 100871 3,国家发改委宏观院 100037 4,清华大学 100084 5,新疆气象科技服务中心 830002

李剑1马淑红2戈峰3马韫娟4张新军5

以连霍高速百里风区沿线七角井、十三房气象站近40多年（1971～2009年）最大风速和风向资料为基础，结合百里风区2008年4～2009年5月典型横断面、一碗泉5要素5层梯度风强风监测资料，采用空气动力学、气象学、流体力学、强风监测技术、公路工程技术标准相结合方法，分析连霍高速百里风区强横风路段五种典型横断面类型（填挖结合型、半挖半填型、左偏弯道型、峡管效应型、开阔路段强横风型）防风措施及对策，结果表明：连霍高速百里风区强横风路段典型横断面最大瞬间风速受山口、垭口、峡管效应、高路堤特殊地形增速效应的影响风速逐渐增大，呈现独特特征。提出连霍高速公路百里风区强横风路段防风对策，是按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速和设置防风阻沙栅降低强横风强度来保证。

1 、引言

连霍高速公路（G30国道），横贯中国大陆的东、中、西部。连接江苏连云港和新疆霍尔果斯，全长4395km，是中国建设的最长的横向快速陆上交通通道，最终将成为中国高速公路网的横向骨干高速公路。连霍高速公路百里风区地处东天山山脉以南，哈密盆地及吐鲁番盆地北缘，位于了墩至红旗坎之间，线路走向由东向西，全年强风盛行风向与线路走向垂直，属于风害重度危险区[1]。区内自然条件恶劣，风期长，起风速度快，是全球内陆风力最为强劲的地区，其中百里风区实测瞬间最大风速达60.6m/s以上。大风曾多次造成汽车翻车、高速公路关闭和路堤、路堑边坡以及桥梁、线路标志等被风蚀，局部背风路段路堑遭沙埋，给公路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响。为了保证高速公路行车安全及大风环境下正常运营，大风区重点路段典型横断面风速现场监测和特征分析及对策研究十分必要。这对于公路风害防控技术研究具有重要科学意义。

2 、典型横断面确定及强风监测

连霍高速百里风区大风频繁，风害十分严重。为了全面掌握连霍主干线哈密─吐鲁番公路沿线风害分布特征，2008年4～2009年5月，新疆公路规划勘察设计研究院组织由北京大学专家学者和技术人员组成的连霍高速百里风区重点路段风害考察组，对连霍高速百里风区重点路段进行了风害科学考察，同时进行典型横断面5层梯度风强风监测，以及百里风区一碗泉5要素5层梯度风强风监测，分析结果表明：连霍高速公路百里风区设计中考虑大风危害，线路经百里风区是从七角井与十三间房之间穿过，全年大风日数在152～161天，比百里风区铁路沿线十三间房全年大风日数少39～48天[2]。

在连霍高速百里风区风害调查基础上，结合沿线气象条件、地理环境，确定典型路基横段监测点为5～7个，强风监测仪为5层梯度风（0.15m、0.5m、1.0m、2.0m、4.0m）[3～4]，典型横断面以高路堤边坡横断面以及填方挖方相结合形式、确定连霍高速公路百里风区5种（填挖结合型高路堤、半挖半填型、左偏弯道型、峡管效应型、开阔地强横风型）典型横断面形式，进行典型横断面强风监测。

3 、典型横断面风速垂直分布特征

典型横断面风速剖面图可更直观的概况风随高度的变化特征，依据2008年4月～2009年5月典型横断面、强风监测资料,绘制连霍高速百里风区公路沿线典型横断面风速剖面图，曲线为垂直风速的等值线，垂直风速单位取m／s。下面重点分析5种类型（填挖结合型、半挖半填型、左偏弯道型、峡管效应型、开阔地强横风型）典型横断面风速垂直分布特征：

3.1 填挖相结合型（高路堤）风速垂直分布特征

连霍高速百里风区填挖相结合型（高路堤）横断面形式，高路堤高度3.92m垂直风速剖面图，1min平均风速与最大瞬时风速分布风速随高度变化特征相一致，在背风坡距公路中心20m处，从近地面层至1m高度，都较同一横断面其它位置同一高度风速偏小，这主要是受背风侧前阻挡物的影响。从迎风坡距公路中心20m处开始至迎风坡距公路中心风速逐步增大（图1），它与日本高路堤防风栅流体模拟结果（图2）基本一致，差异在于高路堤横断面强风风速和强度以及随路堤高度抬升的气流变化强度比流体模拟剧烈。这主要由于路线两侧有相对高差30米左右山体，右侧距离山体较近，受地形和路堤增速效应的影响风速逐渐增大。公路中心和迎风侧强风盛行风向为N，线路走向与风向夹角垂直，受横风影响。

图1 K3724+700路堤高度3.92m横断面1min平均风速垂直分布图

图2 日本高路堤防风栅强横风流体模拟流场特征

3.2 半挖半填型风速垂直分布特征

连霍高速百里风区k3735＋000路段半挖半填型横断面，路堤高度2.49m,海拔逐渐降低，地形较开阔，路线右侧有相对高差85米左右山体，左侧开阔，1min均风速与瞬时风速分布特征随地形变化呈现迎风侧风速明显大于背风侧，见图3，这主要由于地形和半挖半填型路堤影响所致。

图4 K3735+000路段半挖半填型横断面，路堤高度2.49m横断面瞬时风速垂直分布图

3.3 左偏弯道型风速垂直分布特征

连霍高速百里风区k3738＋100路段为左偏弯道型，路基以填方为主，填方高度1.63米，拔逐渐降低，地形较开阔，地形起伏变化较小，受风力影响较明显，路线前进方向左偏弯道，横风强风影响，导致风速以路中最大，向路两侧递减的规律，最大瞬间风速达到20.0m/s以上（见图4），最大瞬间风速垂直分布特征与平均风速相一致，并且出现N风。

图5 K3738+100路段为左偏弯道型，路基以填方为主，填方高度1.63m横断面瞬时风速垂直分布图

3.4 开阔地强横风型垂直分布特征

连霍高速百里风区k3782+100路段开阔地强横风型,路堤高1.34m,1min均风速与瞬时风速分布特征随地形变化和路堤高度影响呈现独特特征(图5)，地形较为开阔，北部山体山口与主风向一直，导致风速逐渐增强，并且以路中风速最大，达到25.4m/s。

图5 k3782+100路段开阔地强横风型,,路堤高1.34m横断面瞬时风速垂直分布图

3.5 峡管效应型风速分布特征

连霍高速百里风区K3757+680、K3757+700、K3757+720、K3757+740、K3757+760、K3757+780路段为峡管效应路段, 根据沟谷特征，在峡管效应横断面分别布设不同高度3套（0.15、0.5、1.0、2.0、4.0m）风向风速传感器，分别布设在公路左右路肩和路中，以计算峡管效应1min和最大瞬时风速。沟谷各项特征值定义如下：山体平均高程：为沟谷两岸山脊线的平均高程（m），以加权平均法根据断面间距计算山岭平均高程。以公路宽度为平均谷宽，沟谷两山脊之间的距离为谷口，公路东西走向，西部鄯善方向为进口，东部哈密方向是出口。最大瞬时风速分布特征随地形变化和路堤高度影响呈现独特特征，路线进入地形复杂山岭区，山体相对高差较大，南北两侧为山体，北面开口，山谷长度300m，当气流在通过峡谷时由于受到两侧山体阻挡而在峡谷峡管区风速逐渐增强，最大瞬时风速为28.0m/s左右，并且以北部开口风速最大，达到31.6m/s。

4 、强横风路段防风对策

连霍高速百里风区强横风区间不同类型汽车在强风天气下安全行车可以通过以下对策来保证：按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速和设置防风阻沙栅降低强横风强度。

4.1 、按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速

首先依据连霍高速百里风区横强风区间气象站40多年（1971～2009年）最大风速资料，结合气象站最大风速与高速公路沿线最大风速地形订正k系数，通过数理统计与概率论相结合方法进行风险评估，确定连霍高速百里风区为重度危险路段，按照布点原则建立大风监测站，建立强风报警系统，绘制连霍高速百里风区横强风路段不同类型汽车安全行车运行规则曲线图[3]，当风速达到不同类型汽车倾覆翻车临界风速，按照强风天气下不同类型汽车行车规则降低车速或停车。

4.2 、设置防风阻沙栅降低强横风强度

降低强横风强度对策就是在强横风区间布设防风阻沙栅，目的在于减弱强横风风速，以保证不同类型汽车安全行车最低风速[5]。依据连霍高速公路百里风区5种典型横断面形式风速垂直分布特征，同时考虑防风栅设计风速和全年强风盛行风向（N）以及夏季短时阵风盛行风向(NNW、NW)，确定连霍高速公路百里风区5种典型横断面区间单侧布设防风栅。